211service.com
Nanoblomster forbedrer ultrakondensatorer
Forestil dig et mobiltelefonbatteri, der genoplades på få sekunder, og som du aldrig behøver at udskifte. Det er løftet om energilagringsenheder kendt som ultrakondensatorer, men på nuværende tidspunkt kan de kun lagre omkring 5 procent så meget energi som lithium-ion-batterier. Et fremskridt fra forskere ved Research Institute of Chemical Defense i Kina kan øge ultrakondensatorernes evne til at lagre energi.
Nanoflower power: Et transmissionselektronmikroskopbillede viser en blomsterlignende manganoxidnanopartikel aflejret ved krydset mellem krydsede kulstofnanorør. Brugt som et elektrodemateriale kunne dette nanorør-mangan-oxid-komposit forbedre energilagringsevnen af ultrakondensatorer, som viser lovende som kraftfulde, langtidsholdbare erstatninger for batterier.
En kondensator består af to elektroder med modsatte ladninger, ofte adskilt af en isolator, der forhindrer elektroner i at hoppe direkte mellem dem. Forskerne har udviklet en elektrode, der kan lagre dobbelt så meget ladning som de aktiverede kul-elektroder, der bruges i nuværende ultrakondensatorer. Den nye elektrode indeholder blomsterformede manganoxidnanopartikler aflejret på vertikalt dyrkede kulstofnanorør.
Elektroderne leverer fem gange så meget strøm som elektroder med aktiveret kulstof, siger Hao Zhang, hovedforfatter af Nano bogstaver papir, der beskriver det nye arbejde. Elektrodens levetid kan også sammenlignes med elektrodernes aktive kulstof, siger Zhang: afladning og genopladning af elektroderne 20.000 gange reducerede kondensatorens energilagringskapacitet med kun 3 procent.
I en typisk ultrakondensator er to aluminiumselektroder suspenderet i en elektrolyt. En spænding påført elektroderne adskiller de positive og negative ioner i elektrolytten, som bliver tiltrukket af de modsat ladede elektroder. Hvor meget energi ultrakondensatoren kan lagre afhænger i høj grad af elektrodernes overfladeareal: Jo mere areal, jo mere plads til at opbevare ladning. Belægning af elektroderne med aktivt kul øger deres overfladeareal, da en teskefuld af det porøse, svampelignende materiale har omkring overfladearealet af en fodboldbane. Ultrakondensatorer kan lagre millioner af gange mere energi end de små kondensatorer, der bruges i elektroniske kredsløb.
Men deres ydeevne blegner stadig ved siden af batterier, der lagrer energi ved hjælp af kemiske reaktioner. Hvis jeg gav dig en mobiltelefon med et ultrakondensatorbatteri, ville du aldrig udskifte batteriet, og du kunne genoplade det på få sekunder, men det ville kun holde en halv time, siger Joel schindall , en elektroingeniør professor ved MIT.
Hidtil har ultrakondensatorer været begrænset til nicheapplikationer, der kræver høj effekt og hurtig, gentagen genopladning. For eksempel giver enhederne hurtige strømudbrud til busser, lastbiler og letbanetog over korte strækninger, og opbremsning genopbygger dem. Hvis de kunne lagre mere energi, kunne de imidlertid være en kraftfuld, langtidsholdbar erstatning for batterier i hybrid-elektriske køretøjer og bærbar elektronik.
Forskere har længe søgt at øge energilagring i ultrakondensatorer ved at forbedre elektrodedesign. Schindall og hans kolleger forsøger at lave elektroder belagt med kulstofnanorør, som har et større overfladeareal end aktivt kul og er fremragende ledere. Andre forskergrupper bruger bedre ladningslagrende materialer, såsom manganoxid og ledende polymerer.
Den nye elektrode kombinerer fordelene ved disse to metoder. For det første dyrker forskerne en række kulstofnanorør på en folie lavet af metallet tantal, som almindeligvis bruges i kondensatorer. Derefter dyrker de 100 nanometer brede blomsterformede nanopartikler direkte på arrayet. Nanorørene vokser mere eller mindre lodret, men de er ikke særlig stive og har en tendens til at falde hen over hinanden. Nanoblomsterne vokser for det meste ved samlingerne af flere nanorør og har et stort overfladeareal (236 kvadratmeter pr. gram) sammenlignet med typiske partikler af manganoxid.
Hver manganoxid-nanoblomst er forbundet direkte med tantalfolien af to eller flere elektronsuperveje, kulstofnanorørene, siger Gaoping Cao, Zhangs coleader på projektet. Dette overlegne ledende netværk giver mulighed for effektiv ladningstransport. Når strømmen løber gennem tantalfolien, bliver ladninger hurtigt overført til og lagret i manganoxidet: Elektroden lagrer dobbelt så meget ladning som det samme volumen af aktivt kul. Nanorørenes høje ledningsevne kan også give dem en større effekt, end de nuværende ultrakondensatorer har, siger forskerne.
Måden at dyrke manganoxid på kulstof nanorør-arrays er ny og har produceret smukke strukturer, siger Yury Gogotsi , professor i materialevidenskab og ingeniør ved Drexel University. Gogotsi siger, at det er en attraktiv tilgang at kombinere den høje ledningsevne af kulstofnanorørene med ladningskapaciteten for manganoxid. Men, tilføjer han, det er ikke praktisk til store volumener, såsom bilapplikationer, fordi brugen af carbon nanorør-arrays og tantalfolie gør dem dyre.
Faktisk, siger Schindall, kan omkostningerne være hovedbarrieren for ultrakondensatorer med nanostrukturerede elektroder. De har fundet en måde at dyrke disse strukturer på, siger han, men nu skal de være i stand til at dyrke dem tæt nok og økonomisk nok til at være praktiske.